Aerodynamiikka ja ajovastukset

Kappaleen liikkuessa väliaineessa siihen vaikuttaa erilaisia liikettä vastustavia voimia. Siksi sen kiihdyttämiseen ja vauhdin ylläpitämiseen tarvitaan energiaa, muuten liike lopulta pysähtyy. Jos väliainetta ei olisi ja leijuttaisiin tyhjiössä, ei liikettä vastustavaa voimaakaan olisi.

Ihmisen valmistamat kulkuvälineet ovat liikkuneet maan pinnalla, veden pinnalla, veden alla ja ilmassa. Jo hyvin aikaisin on ymmärretty, että ajoneuvon liikettä vastustavia voimia voidaan vähentää muotoilemalla ajoneuvo siten, että se läpäisee väliaineen mahdollisimman pienellä voimalla. Tämän takia esimerkiksi veneiden pohjat tehdään yleensä keulasta kapeiksi ja mahdollisimman tasaisiksi, jotta vene liukuisi vedessä mahdollisimman pienellä energiamäärällä.

Ilmanvastus

Autoihin kohdistuu useita liikettä vastustavia voimia. Auto liikkuu maan pinnalla, ja sen liikuttamiseen tarvittava voima välitetään tien pintaan renkaiden välityksellä. Edetessään auton kori läpäisee ilmamassaa, joka joutuu väistymään auton tieltä ja virtaamaan auton pintoja pitkin. Ensimmäisissä autoissa ilmanvastuksella ei ollut juurikaan merkitystä, koska nopeudet olivat niin alhaisia. Asiasta ei myös ollut juurikaan kokemusta. Nopeudet kuitenkin kasvoivat, ja varsinkin nopeusennätysautoissa ilmanvastukseen kiinnitettiin paljon huomiota muotoilemalla auto mahdollisimman virtaviivaiseksi. Myös lentokonetekniikan kehittyminen lisäsi aerodynamiikan osaamista, jota sovellettiin myös autoihin.

Vaikka aerodynamiikan vaikutus autoissa on tunnettu yli sata vuotta, ei autoja tänä päivänäkään muotoilla pelkästään pienen ilmanvastuksen ehdoilla. Auton ulkomuotoihin vaikuttavat monet muut seikat, kuten ulkonäkö ja siihen liittyvät perinteet, mitoitus ja siihen liittyvät kokoluokat, lainsäädännön vaatimat varusteet sekä ennen kaikkea valmistuskustannukset.

Pienissä nopeuksissa ilmanvastuksen osuus ajovastuksista on vähäinen. Tämän takia hitaasti kulkevia ajoneuvoja ei yleensä suunnitella ilmanvastuksen ehdoilla. Maantienopeuksilla tilanne on toinen, sillä kun nopeus kaksinkertaistuu, kasvaa ilmanvastus nelinkertaiseksi. Tämän voi päätellä ilmanvastusvoiman laskukaavasta F = ½ ρ v² A Cv, (ρ on ilman tiheys, v on ilmavirran nopeus, A on kappaleen poikkileikkauksen pinta-ala ja Cv on ilmanvastuskerroin). Esimerkiksi kun auto tulee maantieltä moottoritielle ja ajonopeus nousee 100 km/h >> 120 km/h, on nopeuden kasvu 20 prosenttia, mutta samaan aikaan ilmanvastus kasvaa 44 prosenttia.

Auton ilmanvastukseen siis vaikuttavat auton koko, eli poikkileikkauksen pinta-ala A sekä ilmanvastuskerroin Cv. Jos ilmavirta kohdistuu täysin pystyyn pintaan, on ilmanvastuskerroin 1. Ilmanvastuskerroin voi olla myös yli 1 joissakin tavara-autoissa, joissa kuorma muodostaa ilmanvastuksen kannalta hyvin epäedullisia ulokkeita ja ilmataskuja.

Henkilöautoissa ilmanvastuskertoimet ovat selvästi alhaisempia. Useissa tämän päivän tuotantoautoissa on päästy alle 0,3:n ilmanvastuskertoimeen, ja esimerkiksi Mercedes-Benz CLA:n ilmanvastuskerroin on alimmillaan 0,22. Jos tämän päivän tuotantoauton muotoilu on hyvin onnistunut, ilmanvastuskerroin voi olla 0,25. Joissakin urheiluautoissa ilmanvastusta voivat nostaa erilaiset siivekkeet, joiden avulla pyritään kasvattamaan ilmavirran aiheuttamaa maata kohti painavaa voimaa ja auton tiessä kiinni pysymistä. Moniin henkilöautoihinkin on asennettu erilaisia siivekkeitä ja helmasarjoja, mutta niiden pääasiallinen merkitys on ulkonäöllinen, usein ylimääräiset siivekkeet voivat lisätä ilmanvastusta ja polttoaineenkulutusta.

Voimansiirron häviöt

Auton moottorissa ja voimansiirrossa on paljon liikkuvia osia, jotka ovat kosketuksissa paikallaan oleviin osiin. Laakeroinnin ansiosta niiden välinen kitka on pieni, mutta silti häviöitä syntyy jonkin verran. Kitkan aiheuttamia häviöitä voimansiirrossa on onnistuttu pienentämään kehittämällä laakerointitekniikkaa ja materiaaleja sekä käyttämällä entistä parempia voiteluaineita. Kitkan lisäksi toinen energiankulutukseen vaikuttava tekijä voimansiirron liikkuvissa osissa on inertia eli massan hitaus. Mitä painavampia pyörivät osat ovat, sitä enemmän energiaa niiden pyörimisnopeuden muutokset vaativat.

Renkaiden vierinvastus

Kontakti tien pintaan antaa mahdollisuuden muuttaa auton nopeutta ja suuntaa, mikä edellyttää renkailta tarpeeksi pitävää otetta tiehen. Koska koko auton paino lepää neljän renkaan päällä, auttaa pienelle alalle kohdistuva massa aikaansaamaan riittävän pintapaineen. Myös renkaan kuvioinnilla ja materiaalilla on merkitystä. Riittävän hyvän otteen aikaansaanti vaatii renkaan pinnalta mukautumiskykyä erilaisten tienpintojen mukaiseksi. Tämä muodonmuutostyö vaatii energiaa, joka renkaan muovautuessa muuttuu lämpöenergiaksi. Mitä enemmän rengas muuttaa muotoaan tienpinnan mukaan, sitä suurempi on sen vierinvastus.

Renkaan vierinvastusta voidaan pienentää kaventamalla rengasta ja valitsemalla muodonmuutoksessa vähemmän lämpiäviä kumimateriaaleja. Vierinvastusvoimaan vaikuttaa auton massa sekä vierinvastuskerroin. Tyypillinen henkilöauton vyörenkaan vierinvastuskerroin on kovalla pinnalla 0,010-0,015. Maataloustraktoreiden renkaiden vierinvastus voi maapohjalla olla 0,15-0,25.

Renkaiden energiamerkintä

Renkaiden energiamerkintä kiinnittää kuluttajan huomion erityisesti renkaan energiankulutukseen ja märkäpitoon. Merkintä sisältää myös tiedon rengasmelusta. Kuluttajan kannattaa kuitenkin pitää mielessä se, että rengas on kompromissi, eivätkä kaikki ominaisuudet voi olla samalla renkaalla huippuluokkaa. Jos tehdään pinnaltaan tiivis herkästi rullaava rengas, sen pito-ominaisuudet eivät välttämättä ole parhaat mahdolliset. Pehmeästä kumista valmistettu rengas voi olla hyvin pitävä ja hiljainen, mutta sen kestoikä jää lyhyemmäksi kuin kovemmasta kumista tehdyn renkaan.


Oliko artikkeli hyödyllinen?

Sivua päivitetty viimeksi 18.11.2016